硬度計的原理及其內部材料的關系

硬度反映了材料彈塑性變形特性，是一項重要的力學性能指標。

與其他力學性能的測試方法相比，硬度試驗具有下列優點：試樣制備簡單，可在各種不同尺寸的試樣上進行試驗，試驗后試樣基本不受破壞；設備簡便，操作方便，測量速度快；硬度與強度之間有近似的換算關系，根據測出的硬度值就可以粗略地估算強度極限值。所以硬度試驗在實際中得到廣泛地應用。

硬度測定是指反一定的形狀和尺寸的較硬物體(壓頭)以一定壓力接觸材料表面，測定材料在變形過程中所表面出來的抗力。有的硬度表示了材料抵抗塑性變形的能力(如不同載荷壓入硬度測試法)，有的硬度表示材料抵抗彈性變形的能力(如肖氏硬度)。通常壓入載荷大于9.81N(1kgf)時測試的硬度叫宏觀硬度，壓力載荷小于9.81N(1kgf)時測試的硬度叫微觀硬度。前者用于較在尺寸的試件，希反映材料宏觀范圍性能；后者用于小而薄的試件，希反映微小區域的性能，如顯微組織中不同的相的硬度，材料表面的硬度等。

硬度計的種類很多，這里重點介紹最常用的洛氏、布氏、維氏和顯微硬度測試法。

洛氏硬度測試法

一、洛氏硬度的測量原理

洛氏硬度測量法是最常用的硬度試驗方法之一。它是用壓頭(金剛石圓錐或淬火鋼球)在載荷(包括預載荷和主載荷)作用下，壓入材料的塑性變形濃度來表示的。通常壓入材料的深度越大，材料越軟；壓入的濃度越小，材料越硬。

洛氏硬度計的構造

洛氏硬度計種類很多，構造各不相同，但構造原理及主要部件都相同。

布氏硬度測試法

一、布氏硬度的測量原理

選擇一事實上的載荷P，把直徑為D的淬火鋼球壓入試件表面并保持一定時間，然后卸去載荷，測量鋼球在試樣表面壓出的壓痕直徑d，計算出壓痕面積，算出載荷P與壓痕面積的比值，這個比值所表示的硬度就是布氏硬度，用符號HB表示。

布氏硬度的單位為kg/mm2，這是目前各國文獻中常用的單位，通常只給出數值而不寫單位，如HB200，若要換算成國際單位MPa，需要將硬度值乘以9.81。

布氏硬度的壓頭鋼球直徑有Φ2.5mm，Φ5mm，Φ10mm三種，載荷有15.6kg、62.5kg、182.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七種。可根據材料的軟硬不同選擇配合使用。為了在不同直徑的壓頭和不同載荷下進行測試時，同一種材料的布氏硬度值相同。壓頭的直徑與載荷之間要滿足相似原理。相似原理是指在均質材料中，只要壓入角φ(即從壓頭圓心壓痕兩端的連線之間的夾角)不變，則不論壓痕大小，金屬的平均抗力相等。

二、布氏硬度的測試步驟

布氏硬度計使用的步驟如下：

1．根據試件材料選擇合適的壓頭和載荷。

2．加預載。

3．加主載并保持一定的時間。

4．卸載。

5．將試樣取下，用帶刻度的低倍放大鏡測壓痕直徑d。

6．查《壓痕直徑與布氏硬度對照表》得到布氏硬度值。

 布氏硬度測試中還應注意以下幾個問題，即試驗壓痕直徑的范圍應為0.25D<d<0.6D，否則測量結果無效；由于壓痕周圍存在變形硬化現象(可達2~3倍的壓痕直徑)，所以要求相鄰兩個硬度點的距離≥4d，軟材料≥6d，試件厚度不小于壓痕深度的10倍，壓痕離試件邊緣的距離應不小于壓痕直徑。

三、布氏硬度的特點

布氏硬度試驗的優點是其硬度代表性全面，因壓痕面積較大，能反映較大范圍內金屬各組成相綜合影響的平均性能，而不受個別組成相及微小不均勻度的影響。因此特別適用于測定灰鑄鐵、軸承合金和具有粗大晶粒的金屬材料；試驗數據穩定，數據重復性強

布氏硬度試驗的缺點是其壓頭為淬火鋼球。由于鋼球本身的變形問題，致使不難試驗太硬的材料。一般在HB450以上就不能使用；由地壓痕較大，成品檢驗有困難；試驗過程比洛氏硬度較為復雜，不能由硬度計上直接讀數(需用帶刻度的低倍放大鏡測出壓痕直徑，然后通過查表得到布氏硬度值)。

維氏硬度測試法

為了避免鋼球壓頭的永久變形，布氏硬度法只能用來測定硬度值小于HB450的材料，洛氏硬度法為了測定由軟到硬的不同材料的硬度，采用了不同的壓頭和總載荷，有很多種標度，彼此間沒有什么聯系，也不能換算。為了實際應用中方便，取同一材料用不同標度測定，列出表格，只能供大致估算。為了從軟到硬的不同材料有一個連續一致的硬度標度，制定了維氏硬度試驗法。

一、維氏硬度的測量原理

維氏硬度的測量原理基本上和布氏硬度相同，所不同的是用金剛石正四棱錐壓頭。正四棱錐兩對面的夾角為136°，底面為正方形

二、維氏硬度的測試

1、對試樣的要求

要求試樣經過拋光，試樣硬度至少是壓痕深度的10倍或者不小于壓痕對角線的1.5倍，在滿足這個條件的情況下盡可能選用較大載荷，可減少測量誤差。

2、壓痕對角線的測量

維氏硬度壓痕對角線的長度是用附在硬度計上的顯微測微器進行測量的。壓痕對角線的測量精度可達10-3mm。應測出兩條互相垂直的對角線的線度，取平均值作為壓痕對角線的長度d。規定兩條壓痕對角線之差與較短對角線之比不大于2%。若材料各個方向上的硬度不均勻而使比值>2%者，需要在硬度值后面注明。

維氏硬度不存在在洛氏硬度標度無法統一的問題，也不存在布氏硬度測試時負荷與壓頭直徑比例關系的約束和壓頭變形問題。只要滿足布氏法中邁耶爾指數關系中n=2時，p=ad2，只要載荷不太小，硬度值與所用載荷無關，即不同載荷下的維氏硬度值可以駐進行比較。

維氏硬度值測量精確可靠，在材料科學研究中被廣泛應用。但是維氏硬度測量過程中需要測量對角線的長度，然后通過計算或查表才能得到硬度值。測量過程繁瑣，工作效率低。在測量過程中，采用計算機控制測量過程，采集和處理數據，可能克服上述缺點并大大提高工作效率。

顯微硬度測試法

一、顯微硬度的測量原理

顯微硬度的測量原理與維氏硬度一樣，也是用壓痕單位面積上所承受的載荷來表示的。只是試樣需要拋光腐蝕制成金相顯微試樣，以便測量顯微組織中各相的硬度。顯微硬度一般用HM表示。

顯微硬度測試用的壓頭有兩種：一種是和維氏硬度壓頭一樣的兩面之間的夾角為136°的金剛石正四棱錐壓頭

顯微硬度計的構造及其應用

顯微硬度計是由顯微鏡和硬度計兩部分組成。顯微鏡用來觀察顯微組織，確定測試部位，測定壓痕對角線的長度；硬度測試裝置則是將一事實上的載荷加在一事實上的壓并沒有上，壓入所確定的測試部位。

影響顯微硬度值的因素  

1、試樣制備

顯微試樣制備過程中，會因磨削使表面塑性變形引起加工硬化，這會對顯微硬度值有很大的影響(有時誤差可達50%)，低載荷下更為明顯。因此試樣在制備過程中，要盡量減少表面變形層，特別對軟材料，最好采用電解拋光。

2、載荷

根據試樣的實際情況，選擇適當的荷載，在試樣條件允許的情況下，盡量選擇較大的載荷，以得到盡可能大的壓痕。由于彈性變形的回復是材料的一種性能，對于任意大小的壓痕其彈性回復量幾乎一樣，壓痕越小彈性回復量占的比例就越大，顯微硬度值也就越高。在同一試樣中，選用不同的載荷測試得出的結果不完全相同，一般載荷越小，硬度值波動越大。所以對于同一試驗最好始終選相同的載荷，以減少載荷變化對硬度值的影響。布科提出了下列四類加載范圍，可供參考：

鋁合金：1~5g

軟鐵鎳：5~15g

硬鋼：15~30g

碳化物：30~120g

3．加載速度和保載時間

加載速度過快，會使壓痕加大，顯微硬度值降低。一般載荷越小，加載速度的影響就越大，當載荷小于100g時，加載速度應為1~20μm/s。加載后保持載荷3~5s即可卸載進行測量。

使用硬度計應注意的事項

除了各種硬度計使用時特殊注意事項外，還有一些共同的應注意的問題，現列舉如下：

1．硬度計本身會產生兩種誤差：一是其零件的變形、移動造成的誤差；二是硬度參數超出規定標準所造成的誤差。對第二種誤差，在測量前需用標準塊對硬度計進行校準。對洛氏硬度計校正結果，差值在±1之內合格。差值在±2之內的穩定數值，可以給出修正值。差值在±2范圍之外時則必需對硬度計進行校正維修或換其他硬度測試法測定。

洛氏硬度各標度有一事實上的適用范圍，要根據規定正確選用。例如，硬度高于HRB100時，應采用HRC標度進行測試；硬度低于HRC20時應用HRB標度進行測試。因為超出其規定的測試范圍時，硬度計的精確度及靈敏度較差，硬度值不準確，不宜使用。

其他硬度測試法也都規定有相應的校正標準。

校準硬度計用的標準塊不能兩面使用，因標準面與背面硬度不一定一致。一般規定標準塊自標定日起一年內有效。

2．在更換壓頭或砧座時，注意接觸部位要擦干凈。換好后，要用一定硬度的鋼樣測試幾次，直到連續兩次所得硬度值相同為止。目的是使壓頭或砧座與試驗機接觸部分壓緊，接觸良好，以免影響試驗結果的準確性。

3．硬度計調整后，開始測量硬度時，第一個測試點不用。因怕試樣與砧座接觸不好，測得的值不準確。特第一點測試完，硬度計處于正常運行機制狀態后再對試樣進行正式測試，記錄測得的硬度值。

4．在試件允許的情況下，一般選不同部位至少測試三個硬度值，取平均值，取平均值作為試件的硬度值。

5．對形狀復雜的試件要采用相應形狀的墊塊，固定后方可測試。對圓試件一般要放在V形槽中測試。

6．加載前要檢查加載手柄是否放在卸載位，加載時動作要輕穩，不要用力太猛。加載完畢加載手柄應放在卸載位置，以免儀器長期處于負荷狀態，發生塑性變形，影響測量精確度。

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